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一氧化氮
無色無味、難溶于水的有毒氣體
一氧化氮化學(xué)式為NO，是一種氮氧化合物。常溫常壓下為無色氣體，微溶于水，溶于乙醇、二硫化碳。熔點是-163.6°C，沸點為-151.7°C。一氧化氮以無色氣體形式出現(xiàn)。不可燃，但會加速可燃材料的燃燒。蒸氣比空氣重。過量的NO被吸入或被皮膚吸收毒性很大。一氧化氮是一種不穩(wěn)定的自由基氣體，與氧氣迅速反應(yīng)形成氮氧化物。NO在許多組織中正常產(chǎn)生，適量的NO被認為是細胞間通訊的介質(zhì);它在許多過程中起作用，包括血管舒張、炎癥和神經(jīng)傳遞。因此在免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)上都被廣泛應(yīng)用。此外在工業(yè)、食品加工領(lǐng)域以及生命科學(xué)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
基本信息
中文名
一氧化氮
英文名
Nitric Oxide
別名
氧化氮
拼音
yī yǎng huà dàn
CAS號
10102-43-9
性質(zhì)
化學(xué)式
NO
結(jié)構(gòu)式
外觀
無色氣體，高濃度為棕色，固體為藍白色。
氣味
尖銳、甜美的氣味
密度
1.04（相對氣體密度）
熔點
-163.6°C
沸點
-151.7°C
溶解性
7.38 ml/ 100 ml 0 °C; 4.6 ml/ 100 ml 20 °C; 2.37 ml/ 100 ml 60 °C
log P
0
黏度
0.0188 cP（25℃、101.325 KPa）
蒸氣壓
34.2 atm
危險性
警示術(shù)語
危險
安全術(shù)語
H270 （100%）： 可能引起或加劇火災(zāi);氧化劑 [危險 氧化氣體]
H280 （86.48%）： 含有加壓氣體;加熱時可能會爆炸[壓力下的警告氣體]
H314 （100%）： 造成嚴重的皮膚灼傷和眼睛損傷 [危險 皮膚腐蝕/刺激]
H318 （33.45%）： 造成嚴重眼損傷 [危險 嚴重眼損傷/眼睛刺激]
H330 （86.48%）： 吸入致命 [危險 急性毒性，吸入]
H331（13.52%）：吸入有毒[危險急性毒性，吸入]
H373（61.92%）：長期或反復(fù)接觸對器官造成損害[警告特定靶器官毒性，反復(fù)接觸]
NFPA 704
3-0-0-OX
研究歷史
NO的發(fā)現(xiàn)和19世紀的研究
人類與氮氧化物(NOx)之間的關(guān)系確實很古老，可以追溯到大約3000年前。毫無疑問，NOx的第一次使用是作為食品防腐劑，可以追溯到中國和印度使用洞穴“壁硝石”[Ca(NO3)2]腌制肉類。早期的腓尼基人、羅馬人和希臘人廣泛使用鹽腌制。除了固化，NOx對心血管的有益影響也得到了認可。1901年，英國探險家斯坦因爵士在中國的佛教圣地敦煌發(fā)現(xiàn)了一批了不起的手稿。大約在公元1000年，這些物品被藏在一個有墻的洞穴里，其中包括可能是世界上最古老的印刷書籍《金剛經(jīng)》，它描述了公元800年左右的中國醫(yī)療實踐。治療心絞痛的一種方法是將硝基(KNO3)放在舌下，用唾液浸泡，然后“保證”治愈。
簡·巴普蒂斯塔·范·赫爾蒙（Jan Baptista van Helmont）(1580-1644)是最著名的煉金術(shù)士之一。范赫爾蒙被認為是第一位醫(yī)學(xué)化學(xué)家，他也是“氣動化學(xué)”的創(chuàng)始人，并以希臘語“khaos”的名字創(chuàng)造了“gas”一詞。作為伽利略、哈維和培根的同代人，和伽利略一樣，范赫爾蒙也因他的著作而受到譴責(zé)，他提到了一種紅色氣體，它是由富爾蒂斯水(硝酸)與銀反應(yīng)形成的，因此通常被認為是發(fā)現(xiàn)NO的人。當然，這種紅色氣體實際上不是NO本身，而是它與氧氣反應(yīng)的直接產(chǎn)物，二氧化氮(NO2)。盡管包括博伊爾（Boyle）、斯塔爾（Stahl）和黑爾斯（Hales）在內(nèi)的幾位著名化學(xué)家觀察到硝酸與各種金屬反應(yīng)生成了NO，但直到約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）在1772年認識到NO是一種獨特的化學(xué)實體。1799年，呼吸生理學(xué)家漢弗萊·戴維（Humphry Davy）爵士測試了吸入NO對自己的影響，并發(fā)現(xiàn)了不良反應(yīng)。他意識到NO與氧氣反應(yīng)生成亞硝酸和硝酸，因此首先嘗試通過完全呼氣并吸入一氧化二氮來清除肺部的氧氣。他認為這救了他的命；他寫道“他再也不會設(shè)計這樣魯莽的實驗了”。
一般來說，NO與金屬的相互作用是一種主要的生物作用，約瑟夫·普里斯特利在1772年首次描述了NO與鐵的反應(yīng)，他用鐵來產(chǎn)生一氧化二氮。NO和血紅素之間的相互作用可以追溯到19世紀中葉，赫爾曼在1865年發(fā)現(xiàn)了脫氧血紅蛋白的NO復(fù)合體。1897年，生理學(xué)家J.S.霍爾丹，證明了血紅蛋白將亞硝酸鹽還原為NO，后者與血紅蛋白結(jié)合形成亞硝基復(fù)合體。在一個明顯不同的領(lǐng)域，將NO與金屬聯(lián)系起來，1899年，基斯考特和雷曼獨立地發(fā)現(xiàn)，賦予腌肉紅色的鹽的成分是來自硝酸鹽的亞硝酸鹽，兩年后霍爾丹提出腌肉中的亞硝酸鹽與金屬之間的聯(lián)系，提出實際上是亞硝酸鹽產(chǎn)生的NO與肉類中的肌紅蛋白結(jié)合，從而產(chǎn)生理想的紅色。早在1817-1822年，科納就已確定腌制過程中硝酸鹽的遺漏是“香腸中毒”的原因，1910年霍格蘭解釋了硝酸鹽中亞硝酸鹽的微生物和/或酶學(xué)來源。
在1867年T.L.布倫頓描述了第一個硝基血管擴張劑，亞硝酸戊酯，并建議它作為一種治療心絞痛藥物。硝酸甘油(NTG)是由索布雷羅在1846年首次合成的，他寫道:“當我想到所有在硝酸甘油爆炸中喪生的受害者，以及已經(jīng)造成的可怕破壞，這些破壞在未來很可能還會繼續(xù)發(fā)生，我?guī)缀跣哂诔姓J自己是它的發(fā)現(xiàn)者?！北M管如此，阿爾弗雷德·諾貝爾申請了NTG在炸藥中的使用專利，他的科學(xué)遺產(chǎn)就是諾貝爾獎。1879年，穆雷爾發(fā)現(xiàn)NTG被用作另一種硝基血管擴張劑，當諾貝爾出現(xiàn)心臟問題時，醫(yī)生給他開了NTG，他在1896年的一封信中寫道:“命運給我開了N/G1 (NTG)內(nèi)服，這難道不是諷刺嗎?為了不嚇到化學(xué)家和公眾，他們叫它崔妮翠。”
1900-1986中對NO的研究
在1986年至1988年的發(fā)現(xiàn)之前的20世紀，關(guān)于NO和人類健康的唯一科學(xué)知識基本上是作為空氣污染和有毒氣體的重要組成部分，從來沒有人認為它實際上可以被內(nèi)源生產(chǎn)和利用。在1916年的一項綜合研究中，米切爾（Mitchel）等人證明了人類排出的硝酸鹽多于攝入的硝酸鹽，并得出結(jié)論：“人體組織能夠從未氧化的含氮自由基中產(chǎn)生硝酸鹽?！边@是一項了不起的發(fā)現(xiàn)，他們評論說：“嘗試一種關(guān)于氧化是如何完成的、中間產(chǎn)物的形成、負責(zé)它的特定器官(如果其生產(chǎn)完全是本地化的)的理論，或者這一過程的生物學(xué)意義的理論，將是一種猜測。以我們目前對這個問題的了解，這樣的推測是無益的。1925年，霍爾丹（Haldane）證明了敗血癥患者血液中存在NO-血紅蛋白，盡管可以理解的結(jié)論是NO來自微生物。1927年，瓦爾堡（Warburg）發(fā)現(xiàn)NO抑制線粒體呼吸，包括可逆和不可逆機制。
20世紀60年代和70年代，關(guān)于NO的化學(xué)研究激增，與生物學(xué)無關(guān)，主要是與過渡金屬離子的相互作用。由于和氧氣僅一個原子序數(shù)不同，NO已被廣泛用作O2代謝生物系統(tǒng)的光譜探針。特別重要的是電子順磁共振(EPR)光譜學(xué)，始于1961年血紅蛋白的NO復(fù)合物的EPR光譜的最初報道。亞硝酰血紅蛋白復(fù)合物的EPR檢測已被證明在揭示血紅蛋白-O2結(jié)合的變構(gòu)機制的細節(jié)方面至關(guān)重要，因為光譜對與其功能結(jié)果相關(guān)的蛋白質(zhì)構(gòu)象(O2與血紅素鐵的結(jié)合)非常敏感。
1986-88:在免疫、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性NO
在短短的3年時間內(nèi)，在三個主要器官系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性NO的突破顯著集中。在這些看似獨立的領(lǐng)域中的每一個領(lǐng)域，平行的進展都意外地發(fā)展到同時承認NO是功能的中心調(diào)解人的水平。
免疫系統(tǒng)
與之前米切爾描述的人類內(nèi)源性硝酸鹽合成的早期報告令人驚訝，因為與原核生物和植物不同，在1987年之前，沒有已知的在真核生物中合成無機氮氧化物的機制。1981年，坦南鮑姆使用穩(wěn)定同位素分析，最終證明了硝酸鹽的人類合成。坦嫩鮑姆（Tannenbaum）、赫格托恩（Hegesh）和夏伊洛（Shiloah） 在1982年獨立地報告了與免疫系統(tǒng)的第一個聯(lián)系，其中表明患有腹瀉的個體排泄的硝酸鹽比消耗的多得多。坦嫩鮑姆還表明，給大鼠注射脂多糖會導(dǎo)致硝酸鹽排泄顯著增加。在1985年，施圖爾（Stuehr）和瑪麗埃塔（Marletta）證明了至少在小鼠中，巨噬細胞是硝酸鹽的體內(nèi)來源，此外，用脂多糖（LPS）處理體外培養(yǎng)的巨噬細胞誘導(dǎo)了亞硝酸鹽和硝酸鹽的合成。隨后的研究表明，LPS處理的巨噬細胞誘導(dǎo)不依賴于亞硝酸鹽的亞硝化化學(xué)；這是首次表明哺乳動物細胞能夠產(chǎn)生亞硝酸鹽或硝酸鹽的活性前體。
心血管系統(tǒng)
1971年厄爾·薩瑟蘭因發(fā)現(xiàn)cAMP的信號特性而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎后，人們對其他環(huán)核苷酸作為信使的可能性產(chǎn)生了濃厚的興趣。cGMP是唯一的另一種天然存在的環(huán)核苷酸，因此引起了特別的興趣。1975年，穆拉德（Ferid Murad）和他的同事揭示了cGMP形成的關(guān)鍵機理，證明了疊氮化合物(后來證明其代謝為NO，以及在較小程度上的亞硝酸鹽、苯肼和羥胺)有效地激活了可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(sGC)。在1976年，芭芭拉·德魯波提斯（DeRubertis）和克雷文（Craven）證明了亞硝胺、羥胺和亞硝酸鹽的活化作用，并提出可能涉及這些化合物的“自由基形成”。1977年，穆拉德展示了亞硝酸鹽和NTG的激活作用，1978年展示了血紅蛋白和肌紅蛋白的滅活作用。重要的是，穆拉德顯示激活的化合物也能誘導(dǎo)平滑肌松弛。1977年，穆拉德首次將鳥苷酸環(huán)化酶暴露于NO，并提出由含氮氧化物的物質(zhì)激活 "可能是由于一氧化氮或另一種反應(yīng)性物質(zhì)的形成，因為一氧化氮也增加了鳥苷酸環(huán)化酶的活性"，1978年推測各種激素可能通過誘導(dǎo)NO從 "內(nèi)源性前體 "形成而刺激sGC。
1979年，伊格納羅（Ignarro）證明，與穆拉德研究的非血管組織一樣，由氮氧化物化合物（硝普鈉和亞硝胺）誘導(dǎo)的血管平滑肌松弛是由于NO激活鳥苷酸環(huán)化酶。卡托維茲（Kadowitz）和伊格納羅還表明，硝基血管擴張劑是血小板聚集的有效抑制劑，這也是由NO誘導(dǎo)的鳥苷酸環(huán)化酶激活所介導(dǎo)的。
對sGC刺激機制的深入了解始于1978年，當時克雷文和芭芭拉·德魯波提斯提出，含氮氧化物的化合物激活sGC的機制涉及亞硝基血紅素，1981年蓋爾澤（Gerzer）等人表明，純化的sGC以1:1的比例含有血紅素，NO與血紅素鐵結(jié)合。通過與之前對NO/血紅素相互作用的研究進行比較，伊格納羅和沃林（Wolin）提出了NO與血紅素結(jié)合如何影響活化的機制解釋，包括鐵從血紅素平面的位移，從而削弱/破壞近端組氨酸─鐵鍵。這一結(jié)論在理論和實驗上都得到了強有力的支持，并說明了NO作為鐵配體的獨特性質(zhì)。
在1980年之前的27年里，弗奇戈特（Robert Furchgott）一直在利用體內(nèi)和體外系統(tǒng)研究血管活性藥物的作用機制。有一種藥劑在弗奇戈特1980年的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，那就是毒蕈堿激動劑乙酰膽堿(Ach)。眾所周知，乙酰膽堿在體內(nèi)是一種有效的血管擴張誘導(dǎo)劑，但使用孤立的血管制劑，它只引起收縮。在一篇開創(chuàng)性的論文中，F(xiàn)urchgott證明，在體外研究血管段的制備過程中，內(nèi)膜內(nèi)皮細胞被常規(guī)且不知情地去除。當注意保護內(nèi)皮細胞壁時，分離的制劑的反應(yīng)類似于包括乙酰膽堿在內(nèi)的幾種血管活性藥物的體內(nèi)活性。也許最有見地的實驗是演示了對一個完整節(jié)段的內(nèi)皮細胞的刺激會引起第二個物理上相反的節(jié)段的放松，其中內(nèi)皮細胞已被移除(“三明治”實驗)。值得注意的結(jié)論是，內(nèi)皮細胞產(chǎn)生一種物質(zhì)[稱為“內(nèi)皮源性放松因子”(EDRF)，該物質(zhì)從內(nèi)皮細胞自由遷移到平滑肌細胞以誘導(dǎo)放松。穆拉德很快證明了EDRF誘導(dǎo)的平滑肌松弛涉及cGMP[。1986年蒙卡達（Moncada）證明了EDRF與超氧化物反應(yīng)，對EDRF的性質(zhì)(以及對心血管病理生理學(xué)有很大影響的基礎(chǔ)知識)提供了重要的見解。
神經(jīng)系統(tǒng)
多年來，人們已經(jīng)知道，大腦的許多區(qū)域，包括小腦、大腦皮層、紋狀體和海馬體，都含有大量的sGC和cGMP。小腦含有最高水平的cGMP，是其他區(qū)域的10倍，谷氨酸鹽等興奮性神經(jīng)遞質(zhì)可誘導(dǎo)cGMP水平大幅升高。有趣的是，1977年出口（Deguchi）報道了神經(jīng)細胞瘤細胞粗提物中存在sGC活性激活因子的突觸體可溶性部分;隨后的研究發(fā)現(xiàn)，激活劑為氨基酸精氨酸，其機制與亞硝基化合物引起的機制相似(包括血紅蛋白的抑制)。1987年，加斯維特（Garthwaite）提出細胞與細胞之間的相互作用。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
熔點：-163.6℃
沸點：-151.7°C
密度：1.04（相對氣體密度）
蒸氣壓：34.2 atm
外觀：無色氣體，高濃度為棕色，固體為藍白色
溶解性：微溶于水（7.38 ml/ 100 ml 0 °C; 4.6 ml/ 100 ml 20 °C; 2.37 ml/ 100 ml 60 °C），溶于乙醇（26.6 CC/100 CC）、二硫化碳、硫酸（26.6 CC/100 CC）
氣味：尖銳、甜美的氣味。
汽化熱：3.293 Kcal/mole
電離勢：9.27 eV
粘度：0.0188 cP（25℃、101.325 KPa）
折射率：1.0002697 （25 °C）
形成熱：-21.5 Kcal/mole（18℃）
化學(xué)性質(zhì)
但NO與O2可與水反應(yīng)，化學(xué)方程式為
物質(zhì)結(jié)構(gòu)
一氧化氮為雙原子分子，分子構(gòu)型為直線形。一氧化氮中，氮與氧之間形成一個σ鍵、一個2電子π鍵與一個3電子π鍵。氮氧之間鍵級為2.5，氮與氧各有一對孤對電子。有11個價電子，是奇電子分子，具有順磁性。反鍵軌道上(πp*)1易失去生成亞硝酰陽離子NO。
制備方法
實驗室采用銅和稀硝酸制備NO，這種方法安全簡單，但銅的價格昂貴所以不適用于工業(yè)制備。方程式如下：
工業(yè)上用以下方法：
此方法在反應(yīng)原理上雖然可行，但是氮氣屬于惰性氣體且反應(yīng)條件是放電，在現(xiàn)實生產(chǎn)中對設(shè)備要求高，局限性較大。
不過這種方法是催化劑昂貴，而且NO容易和氧氣反應(yīng)形成NO2。
3．熱分解法:亞硝酸或亞硝酸鹽加熱到330℃以上，分解得到一氧化氮和二氧化氮。
這個方法會有二氧化氮副產(chǎn)物，而且亞硝酸和一氧化氮還有二氧化氮混合有爆照風(fēng)險。
這種方法條件溫和，操作簡單，更加適合于工業(yè)生產(chǎn)。
應(yīng)用領(lǐng)域
一氧化氮（NO）具有多種應(yīng)用領(lǐng)域，以下是一些常見的應(yīng)用：
醫(yī)療領(lǐng)域
一氧化氮可以用于醫(yī)療治療。內(nèi)源性NO，可以擴張血管，可以介導(dǎo)乙酰膽堿引起平滑肌舒張，從而調(diào)節(jié)血流和血壓。對于吸入式NO可以緩解成人呼吸窘迫綜合征，主要是因為NO可以降低肺內(nèi)分流和肺動脈壓力，從而不引起系統(tǒng)血管擴張。NO還可以治療肺動脈高壓。
工業(yè)領(lǐng)域
一氧化氮可以用于金屬加工、燃燒和熱處理過程中的氧化劑，用于生產(chǎn)硝酸、硝酸銨等化學(xué)品。此外，一氧化氮還可以用于生產(chǎn)合成氨、環(huán)氧乙烷、氰化物等化學(xué)品的中間體。
食品加工領(lǐng)域
一氧化氮可以作為食品防腐劑和食品色素使用，例如用于制造臘腸、火腿等肉制品，可使其保持紅色、提高保質(zhì)期。
生命科學(xué)領(lǐng)域
一氧化氮可以作為細胞信使分子在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，參與調(diào)節(jié)血壓、神經(jīng)傳遞等生理過程。此外，一氧化氮還被廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域，例如用于細胞培養(yǎng)、蛋白質(zhì)合成等。
總之，一氧化氮是一種十分重要的化學(xué)品，在許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用和推廣價值。
安全事宜
NO的毒理作用
一氧化氮迅速進入血液，迅速與血紅蛋白反應(yīng)，并被運送到全身。它能與氧合血紅蛋白結(jié)合形成高鐵血紅蛋白和硝酸鹽。高氧血紅蛋白不與氧氣結(jié)合，但如果血氧低，它可以與血紅蛋白結(jié)合形成亞硝基血紅蛋白。吸入一氧化氮毒性的一個主要原因是缺氧，這是由于甲氧血紅蛋白形成而導(dǎo)致血液中氧氣攜帶能力逐漸喪失。用于醫(yī)療的一氧化氮濃度取決于患者和疾病，但據(jù)報道，成人的一氧化氮濃度為20 - 80ppm，兒童為6 - 20ppm
健康危害
NO是一種常見的大氣污染物，人們在短時間內(nèi)接觸少量后可能導(dǎo)致死亡或永久性傷害。刺激眼睛，鼻子，喉嚨;可導(dǎo)致昏迷。一氧化氮在呼吸系統(tǒng)中形成酸，刺激并導(dǎo)致肺部充血。濃度為60-150 ppm會導(dǎo)致鼻子和喉嚨立即刺激，喉嚨和胸部咳嗽和灼熱。暴露后6-24小時，可能導(dǎo)致呼吸困難和失去知覺。濃度為 100-150 ppm 對于 30-60 分鐘的短時間暴露是危險的。200-700 ppm的濃度在非常短的暴露后可能是致命的。
火災(zāi)危害
僅用氫氣加熱時才燃燒。與二硫化碳發(fā)生爆炸性反應(yīng)，與光的發(fā)射發(fā)生爆炸性反應(yīng)。與一氧化氯混合時，可爆炸。遇三氯化氮爆炸。與臭氧混合時，會爆炸。會與水或蒸汽反應(yīng)，產(chǎn)生熱量和腐蝕性煙霧。與還原性材料發(fā)生劇烈反應(yīng)。當加熱分解時，會釋放出劇毒的氮氧化物煙霧。可能點燃其他可燃材料（木材、紙張、油等）。與燃料的混合物可能會爆炸。容器可能會在火熱中爆炸。室內(nèi)、室外或下水道中的蒸汽爆炸和中毒危險。與氧氣反應(yīng)生成有毒的二氧化氮。避免存放在陽光直射或火災(zāi)危險高的地方。
包裝和運輸要求
包裝標志:易燃氣體。一氧化氮只能在通風(fēng)良好的區(qū)域使用。不使用時蓋好氣瓶帽和閥出口塞。不可拖拉、滾動氣瓶。不可采用以加熱氣瓶方法來提高排氣速率。在排氣管路上安裝止回閥, 以防氣體倒灌入氣瓶。瓶應(yīng)貯存在陰涼、干燥、通風(fēng)良好的地方。CGA規(guī)定, 氣瓶貯存區(qū)溫度不允許超過51.7℃。空瓶和實瓶應(yīng)分開豎放。
純一氧化氮采用高壓鋁合金瓶裝運, 不銹鋼鋼瓶閥。充裝壓力3.5MPa。運輸、貯存及標記應(yīng)符合《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
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